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Small-Scale Fire Resistance Evaluation of Carbon Fibers and their Composites

Pablo Chavez Gomez

Ph.D. thesis (2022)

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Abstract

Polymer matrix composites (PMCs) have revolutionized the aviation industry. The ability to customize their properties gives them an advantage over traditional alloys, enabling aircraft designers to conceive increasingly lighter structures. However, most of their constituents are inherently flammable or susceptible to high temperatures and oxidizing conditions. Since fire poses a serious threat to airworthiness and, consequently, passenger safety, it is crucial to understand the behavior of PMCs and their constitutive elements under the highly aggressive conditions encountered during fires. Given the ubiquity of PMCs in modern aircraft, especially carbon fiber (CF)-based structures, two main challenges were identified pertaining to their fire resistance. First, regulations and evaluation standards specify the flame temperature, heat flux, fuel type, and duration for various final applications, yet the influence of the flame chemistry is only rarely considered. In this regard, basic research on the oxidation of carbonaceous materials has mostly relied on thermoanalytical techniques, furnaces or reactors under controlled atmospheres. Consequently, detailed knowledge of the oxidative behavior of CFs in true fire conditions is scarce. Second, it remains unclear which design features of PMC laminates play a critical role in their fire resistance. To address these challenges, this work focuses on the physicochemical and mechanical phenomena involved in the PMC/fire interaction at different length scales. Three objectives were defined as a result: (1) develop a resource-efficient design & evaluation methodology for fire-resistant PMCs validated by small-scale tests, (2) determine the effect of fire and mechanical loads on CF failure, and (3) identify the key parameters of the CF damage process when exposed to fire. The thesis deals with the first objective in a practical manner. A four-stage methodology was proposed towards the design & evaluation of lightweight and fire-resistant PMC configurations. For the initial phase, i.e., conceptual design, Axiomatic Design (AD) was introduced as a tool to translate the customer needs into functional requirements, and subsequently into the design and processes parameters required to achieve the final product. The second stage, initial material screening, is based on standard design practices and summarized in a set of guidelines. The third and key stage of the methodology presented a small-scale evaluation approach. The last stage involved the implementation of fuzzy sets to handle both crisp and vague requirements and scores, i.e., quantitative and qualitative data, as well as a multi-criteria decision making (MCDM) method to rank the candidates while considering the designer's preference. This last set of tools enabled the selection of the best material candidate considering several heterogeneous criteria and priorities. A case study of an aircraft engine casing was presented as an application example for the methodology. The second objective was covered by studying the role of flame chemistry and fiber microstructure in the failure process of loaded polyacrylonitrile (PAN)-based CF bundles. A flat flame burner (FFB) supplying premixed methane/air flames with different fuel/oxidizer ratios (ϕ) was used to determine the time-to-failure (TTF), selected as the indicator of fire resistance. TTF values varied markedly between flames under low tensile loads, with differences becoming less significant with increasing loads. The stoichiometric mixture (ϕ = 1.0) yielded the least aggressive condition, followed by the fuel-rich flame (ϕ = 1.2) which moderately accelerated the bundle failure. In contrast with stoichiometric flames, fuel-lean conditions (ϕ = 0.7) yielded up to ∼50% lower TTF values, confirming the enhanced aggressiveness of oxygen-rich flames. The results also revealed a significantly higher oxidative resistance of high modulus CFs with respect to their lower modulus counterparts, through a one order of-magnitude difference in TTF. The thermoanalytical data did not show such a radical difference. Scanning electron microscopy (SEM) analyses suggested the influence of pitting on the failure promptness, with visible pits exceeding the critical flaw size. The third objective was addressed by delving into the flame-induced CF oxidation process. The influence of fire and impurities on pitting was studied by means of controlled and sequential fiber insertion into flames followed by SEM analyses, revealing two additional mechanisms: channelling and amorphous damage. Pit growth rates were determined by tracking selected pit clusters. Their origin was attributed to structural defects and, to a greater extent, highly reactive impurities detected via neutron activation analysis (NAA), and confirmed by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS). The results highlight the differences in oxidation rates between flame and controlled-atmosphere conditions, as well as the different effects of impurities upon fiber oxidation, i.e., catalysis, mobility and hindrance.

The expected impact of this research is manifold. Aircraft designers are now presented with a resource-efficient design and material evaluation methodology. It is also expected to trigger meaningful discussions within the aircraft fire safety community, highlighting the importance of flame chemistry, CF microstructure/composition as well as material composite configuration in fire resistance. From an applied research point of view, computational models can benefit from the new insights into fiber damage towards more accurate predictions. Moreover, the material evaluation framework will provide aircraft designers with a set of tools towards the selection of fire-resistant composite configurations. Lightweight structures with improved and customized fire resistance can be now conceived using a systematic and resource-efficient approach. Ultimately, passengers will benefit from these improvements.

Résumé

De nos jours, l'utilisation des matériaux composites à matrice organique (CMO) en aéronautique est bien établie. La possibilité d'ajuster leurs propriétés leur donne un avantage sur les alliages traditionnels, permettant aux concepteurs d'avions de concevoir des structures de plus en plus légères. Cependant, la plupart de leurs constituants sont intrinsèquement inflammables ou sensibles aux températures élevées et, surtout, aux conditions oxydantes. Il est donc impératif de comprendre le comportement des CMO et de leurs éléments constitutifs dans les conditions agressives rencontrées lors des incendies d'avion. Ces conditions constituent une menace sérieuse pour la navigabilité et, par conséquent, la sécurité des passagers. Compte tenu de l'omniprésence des CMO dans les avions modernes, en particulier les structures à base de fibre de carbone (FC), deux principaux défis ont été identifiés concernant leur résistance au feu. Premièrement, les réglementations et les normes d'évaluation spécifient la température de la flamme, le flux de chaleur, le type de combustible et la durée pour diverses applications finales, mais l'influence de la chimie de la flamme n'est que rarement prise en compte. A cet égard, la recherche fondamentale sur l'oxydation des matériaux à base de carbone s'est majoritairement appuyée sur des techniques thermoanalytiques, fours ou réacteurs sous atmosphères contrôlées. Par conséquent, la connaissance détaillée du comportement oxydatif des FC dans des conditions d'incendie réelles est rare. Deuxièmement, on ne connait toujours pas quelles caractéristiques de conception des structures CMO jouent un rôle essentiel dans leur résistance au feu. Pour répondre à ces enjeux, ce travail s'intéresse aux phénomènes physico-chimiques et mécaniques impliqués dans l'interaction CMO/feu à différentes échelles. Trois objectifs ont été définis en conséquence : (1) développer une méthodologie de conception et d'évaluation à faible coût pour les CMO résistants au feu validée par des tests à petite échelle, (2) déterminer l'effet du feu et des charges mécaniques sur la défaillance des FC, et (3) identifier les paramètres clés du processus d'endommagement des FC lorsqu'elles sont exposées au feu. La thèse traite du premier objectif de manière pratique. Une méthodologie en quatre étapes a été proposée pour la conception et l'évaluation de configurations CMO légères et résistantes au feu. Pour la phase initiale, c'est-à-dire le design conceptuel, l'approche connue sous le nom de conception axiomatique a été introduite comme un outil pour traduire les besoins du client en exigences fonctionnelles, puis en paramètres de conception et de processus nécessaires pour obtenir le produit final. La deuxième étape, la sélection initiale des matériaux, est basée sur des pratiques de conception standard et résumée dans un ensemble de directives de conception. La troisième étape, étant clé de la méthodologie, a présenté une approche d'évaluation thermomécanique à petite échelle. La dernière étape concernait la mise en œuvre de la logique floue pour gérer à la fois des exigences et critères d'évaluation précis et vagues, c'est-à-dire des données quantitatives et qualitatives, ainsi qu'un outil d'aide à la décision (OAD) multicritère pour classer les candidats tout en tenant compte de la préférence du concepteur. Ce dernier ensemble d'outils a permis de sélectionner le meilleur matériau candidat en tenant compte de plusieurs critères et priorités hétérogènes. Une étude de cas d'un carter de moteur d'avion a été présentée comme exemple d'application de cette méthodologie. Le deuxième objectif a été couvert par l'étude du rôle de la chimie de la flamme et de la microstructure des fibres dans le processus de rupture des mèches de FC à base de polyacrylonitrile chargées en traction. Un brûleur à flamme plate (BFP) fournissant des flammes prémélangées en méthane/air avec différents rapports de mélange combustible/oxydant (ϕ) a été utilisé pour déterminer le temps de défaillance (TDD), sélectionné comme indicateur de résistance au feu. Les valeurs de TDD ont considérablement varié entre les flammes sous de faibles charges de traction, les différences devenant moins importantes avec l'augmentation des charges. Le mélange stœchiométrique (ϕ = 1.0) a produit la condition la moins agressive, suivi de la flamme riche (ϕ = 1.2) qui a modérément accéléré la rupture des mèches. Contrairement au mélange stœchiométrique, la flamme pauvre a donné des valeurs de TDD jusqu'à ∼50% inférieures, confirmant l'agressivité accrue des flammes riches en oxygène. Les résultats ont également révélé une résistance à l'oxydation significativement plus élevée des FC à module élevé par rapport à leurs homologues à module inférieur, grâce à une différence d'un ordre de grandeur dans le TDD. Les données thermoanalytiques n'ont pas montré une différence aussi radicale. Les analyses au microscope électronique à balayage (MEB) ont suggéré l'influence de la corrosion par piqûres, ou pitting, sur la rapidité de défaillance, les piqûres visibles dépassant la taille critique des défauts. Le troisième objectif a été abordé en approfondissant le processus d'oxydation des FC induite par la flamme. L'influence du feu et des impuretés sur le pitting a été étudiée au moyen d'insertions contrôlées et séquentielles de fibres dans les flammes suivies d'analyses au MEB, révélant deux mécanismes supplémentaires : la création des canaux, ou channelling, et l'endommagement amorphe. Les taux de croissance du pitting ont été déterminés en suivant des groupes de piqûres sélectionnés. Leur origine a été attribuée à des défauts structuraux et, surtout, à des impuretés hautement réactives détectées par activation neutronique et confirmées par spectroscopie de rayons X à dispersion d'énergie. Les résultats mettent en évidence les différences de taux d'oxydation entre la flamme et les conditions d'atmosphère contrôlée, ainsi que les différents effets des impuretés sur l'oxydation des fibres, c'est-à-dire la catalyse, la mobilité et la stabilisation. L'impact attendu de ce travail est multiple. Les concepteurs d'avions ont maintenant à leur disposition une méthodologie de conception et d'évaluation à faible coût des matériaux composites ignifuges. Les résultats devraient également déclencher des discussions significatives au sein de la communauté de la sécurité incendie des aéronefs, soulignant l'importance de la chimie de la flamme, de la microstructure et composition des FC ainsi que de la configuration des matériaux composites dans la résistance au feu. Du point de vue de la recherche appliquée, les modèles informatiques peuvent bénéficier des nouvelles connaissances sur le processus d'endommagement des FC pour des prédictions plus précises. De plus, le cadre d'évaluation des matériaux fournira aux concepteurs d'aéronefs un ensemble d'outils pour la sélection de configurations composites résistantes au feu. Des structures légères avec une résistance au feu améliorée peuvent désormais être conçues en utilisant une approche systématique et à bas coût.

Department: Department of Mechanical Engineering
Program: PhD.
Academic/Research Directors: Louis Laberge Lebel and Étienne Robert
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/10523/
Institution: Polytechnique Montréal
Date Deposited: 06 Feb 2023 15:09
Last Modified: 07 Feb 2024 05:23
Cite in APA 7: Chavez Gomez, P. (2022). Small-Scale Fire Resistance Evaluation of Carbon Fibers and their Composites [Ph.D. thesis, Polytechnique Montréal]. PolyPublie. https://publications.polymtl.ca/10523/

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